Hedgehog信號(hào)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨細(xì)胞分化的調(diào)控

軟骨內(nèi)成骨是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要成骨方式，其主要通過軟骨的形成與退化、骨組織逐漸替代軟骨組織等方式成骨。而Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的異常激活與多種骨關(guān)節(jié)軟骨慢性退行性疾病相關(guān)。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化雖然各信號(hào)通路都可以單獨(dú)起作用，但是其是一個(gè)復(fù)雜的過程，共同發(fā)揮調(diào)控作用更為重要，本文主要對(duì)Hh信號(hào)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨細(xì)胞分化的調(diào)控進(jìn)行了分析。

Hedgehog（Hh）基因編碼的蛋白質(zhì)前體金瘋子內(nèi)裂解、脂質(zhì)化等形成含有N末端和C末端的多聚體，包括Sonic hedgehog、Indian hedgehog、Desert hedgehog三種同源基因，其中N末端具有傳遞信號(hào)的功能。在細(xì)胞膜上，Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的手提為Smoothened和Patched，其中前者是信號(hào)通路激活所必需的受體之一，為特殊的7次跨膜蛋白；后者對(duì)信號(hào)通路起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，為12次跨膜蛋白。Hh配體形成后可作用于相應(yīng)細(xì)胞膜受體。如果沒有配體存在，前者轉(zhuǎn)錄激活因子Gli蛋白，通過結(jié)合后者來抑制其活性，并與微管結(jié)合蛋白形成復(fù)合體并附著在微管上無法進(jìn)入細(xì)胞核，最終Gli被蛋白酶分解，逐漸被蛋白激酶A磷酸化。分解的產(chǎn)物可抑制細(xì)胞核中Hh靶基因的轉(zhuǎn)錄，是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子。當(dāng)存在編碼Hh配體，Hh解除其對(duì)Smo的抑制，配體會(huì)與Ptc受體結(jié)合，釋放的Smo與Cos2、Fu結(jié)合形成復(fù)合物，從而抑制Gli的分解，抑制PKA活性，能夠激活相應(yīng)的Hh靶基因，使完整的Gli進(jìn)入細(xì)胞核。

一、Hedgehog信號(hào)與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨組織分化和發(fā)育

1.Indian hedgehog（Ihh）調(diào)控軟骨細(xì)胞分化

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，軟骨細(xì)胞肥大化是軟骨內(nèi)骨化過程中的關(guān)鍵步驟，Ihh在BMSC增殖和成軟骨分化過程中，具有調(diào)控作用，通過甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白途徑，能夠調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞分化，通過與PTHrP形成負(fù)反饋軸來影響軟骨分化，PTHrP再作用于效應(yīng)細(xì)胞膜受體甲狀旁腺激素受體，從而使其保持增殖狀態(tài)，抑制局部區(qū)域內(nèi)軟骨細(xì)胞持續(xù)肥大。并且，為了使BMSC向成軟骨細(xì)胞分化，通過PKA途徑負(fù)向調(diào)控Ihh表達(dá)，抑制其肥大老化。軟骨細(xì)胞在PTHrP合成降到一定水平時(shí)，會(huì)停止增生并肥大化。缺乏Ihh時(shí)，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大老化。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Ihh還進(jìn)一步參與了滑膜關(guān)節(jié)軟骨的形成及維持。但是在含PTHrP-/-個(gè)體的軟骨組織中，當(dāng)Hh特異性抑制劑環(huán)靶明存在時(shí)，可以延遲軟骨細(xì)胞肥大。由此可見，Ihh其具體調(diào)控機(jī)制尚未闡明，可能不依賴PTHrP途徑來促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大。在軟骨內(nèi)成骨不同時(shí)期中，Ihh通過不同途徑來維持骨穩(wěn)定生長(zhǎng)，調(diào)控軟骨細(xì)胞的分化發(fā)育。

2.Sonic hedgehog（Shh）調(diào)控軟骨細(xì)胞分化

在調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞分化過程中，Shh能夠促進(jìn)胚胎時(shí)期肌體和脊髓中的BMSC向軟骨細(xì)胞分化，發(fā)揮著與Ihh不同的作用。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過骨形態(tài)，前體節(jié)中胚層Shh發(fā)生蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，能夠調(diào)控軟骨細(xì)胞分化與增值，使Nkx3.2和Sox9形成自調(diào)節(jié)回路，并且對(duì)分化晚期有特異性作用。同時(shí)Shh可以使軟骨細(xì)胞特異性胞外基質(zhì)II型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖合成增加。研究發(fā)現(xiàn)，通過上調(diào)Shh信號(hào)，蒼術(shù)內(nèi)脂III激活轉(zhuǎn)錄因子Glil入核，能夠維持骨表型，促進(jìn)軟骨分化。

3.Hedgehog信號(hào)與其他轉(zhuǎn)導(dǎo)通路串話調(diào)控軟骨細(xì)胞分化

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在與其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間，Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在著廣泛的串話，如：在轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子Wnt/β-catenin和-β、BMP等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在上游調(diào)控BMSC成軟骨分化。Ihh與Runx基因在早起軟骨細(xì)胞行程中關(guān)系密切，上調(diào)的Glil蛋白能夠協(xié)同促進(jìn)BMSC向成軟骨細(xì)胞分化，能夠激活Runx2和Runx3表達(dá)。另外，通過與Ihh相互影響，多種軟骨細(xì)胞肥大和終末分化調(diào)節(jié)因子可以發(fā)揮作用，如：維生素D3和纖維母細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體-3等。為了維持軟骨細(xì)胞表型和胞外基質(zhì)分泌，Shh可誘導(dǎo)Nkx3.2來調(diào)控Runx的表達(dá)。由此可見，個(gè)新號(hào)通路雖然可單獨(dú)起作用，但是BMSC成軟骨分化是一個(gè)復(fù)雜的過程，通過串話共同發(fā)揮調(diào)控作用。

二、Hedgehog信號(hào)與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨退變

軟骨退變的實(shí)質(zhì)是軟骨細(xì)胞的異常分化，其與多種慢性骨關(guān)節(jié)疾病密切相關(guān)，如：類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎等等，經(jīng)過細(xì)胞肥大、終末分化、礦化、凋亡的過程，與軟骨內(nèi)成骨過程中的軟骨細(xì)胞分化階段類似。正常軟骨細(xì)胞主要分泌II型膠原蛋白和AGC，當(dāng)軟骨細(xì)胞發(fā)生退變時(shí)，各種蛋白促進(jìn)了軟骨鈣化，如：特異性分泌X型膠原蛋白、蛋白聚糖酶等。胚胎發(fā)育成熟后，當(dāng)機(jī)體處于病理狀態(tài)，進(jìn)入沉默狀態(tài)的Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路會(huì)再次被激活。Wei等研究發(fā)現(xiàn)，在OA的軟骨和關(guān)節(jié)液中，Ihh增高程度與軟骨細(xì)胞肥大相關(guān)基因MMP-13和X型膠原蛋白表達(dá)程度呈正相關(guān)，Ihh表達(dá)明顯增高，用siRNA轉(zhuǎn)染和環(huán)靶明作用于軟骨細(xì)胞抑制Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，結(jié)果MMP-13和X型膠原蛋白表達(dá)下調(diào)。因此，Ihh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活在人OA軟骨中可促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大并上調(diào)MMP-13表達(dá)，從而破壞軟骨結(jié)構(gòu)。在成骨細(xì)胞分化和軟骨細(xì)胞成熟過程中，Runx2必不可少。根據(jù)Wang等研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤退變患者的終板軟骨內(nèi)Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路明顯激活，X型膠原蛋白和MMP-13表達(dá)量與軟骨退變程度呈正相關(guān)吧，表達(dá)明顯增高。利用siRNA轉(zhuǎn)染抑制Ihh表達(dá)，可以進(jìn)一步明確相關(guān)機(jī)制，II型膠原蛋白明顯增加，軟骨細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子Glil、I型膠原蛋白等含量減少，而當(dāng)質(zhì)粒重組過表達(dá)Ihh后，結(jié)果相反。因此，在椎間盤退變終板軟骨細(xì)胞內(nèi)，Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路通過減少II型膠原蛋白和增加軟骨肥大鈣化標(biāo)志物I型膠原蛋白等方式促進(jìn)了軟骨細(xì)胞退變。由此可見，在慢性骨關(guān)節(jié)疾病軟骨病理形成過程中，Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路具有重要促進(jìn)作用。

課題項(xiàng)目：南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院科研發(fā)展基金《礦化膠原組分對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化調(diào)控 》，編號(hào)KD2015KYJJZD002

（作者單位：南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院）